Проявление эффектов локального поля в оптических свойствах пористых полупроводников и диэлектриков

На правах рукописиМельников Василий АлексеевичПРОЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛЬНОГО ПОЛЯВ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПОРИСТЫХПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВСпециальность 01.04.05 - ОптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20051Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаим. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор П.К. КашкаровОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор Емельянов Владимир Ильичдоктор физико-математических наук, Белогорохов Александр ИвановичВедущая организация: Институт общей физики Российской академии наукЗащита состоится “” июня 2005 года в _____часов на заседаниидиссертационного совета Д-501.001.67 в МГУ им.

М.В. Ломоносова по адресу:119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова,физический факультет, ЦФА им. Р.В. Хохлова. С диссертацией можноознакомитьсявбиблиотекефизическогофакультетаМ.В. Ломоносова.Автореферат разослан “____” мая 2005 гУченый секретарьдиссертационного совета Д-501.001.67кандидат физико-математических наукдоцентА.Ф. Королев2МГУим.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемы.Актуальностьобусловлена фундаментальнымпредставленныхинтересомк механизмамисследованийлинейного инелинейно-оптического отклика твердотельных структур с пониженнойразмерностью.

Одним из магистральных направлений современной физикиявляется изучение свойств материалов, формируемых из элементов, размерыкоторых составляют от единиц до сотен нанометров, а также разработкапринципов создания таких наноструктур. Свойства этих сред заметноотличаются от свойств составляющих их элементов.

Используемый внастоящей работе метод электрохимического травления позволяет изменятьоптическиесвойстваисходногоматериалаиформироватьоптическикачественные среды, свойства которых могут варьироваться в широкомдиапазоне. Таким образом, становится возможным создать новые материалы сзаданными свойствами, которые найдут самое широкое применение вразличных областях: оптике, химии, электронике. В частности, возникновениеискусственной анизотропии в подобных средах, усиление локального поля вмикрочастицах и возможность заполнения пор веществами с высокимнелинейно-оптическимоткликомоткрываетширокиевозможностипосозданию новых эффективных преобразователей частоты света.

В связи с этимдетального исследования заслуживает изучение влияния эффектов локальногополя на линейные и нелинейно-оптические свойства нанокомпозитных сред.Эти эффекты достаточно хорошо изучены для наносистем с металлическимивключениями, а также в пористом кремнии, и, в частности, приводят кувеличению эффективности нелинейно-оптических взаимодействий. Вместе стем детальное исследование эффектов локального поля в указанных средахосложнено присутствием в них значительного оптического поглощения. Внастоящей диссертационной работе исследуется влияние эффектов локальногополя на оптические свойства прозрачных нанокомпозитных сред, таких какокисленный пористый кремний (ОПК), пористый оксид алюминия (ПОА) и3пористый фосфид галлия (ПФГ). Рассматриваются два предельных случая.

Впервом случае (пористый оксид алюминия и пористый оксид кремния) размерынеоднородностей среды много меньше длины световой волны, что позволяетрассматриватьсредукакоптическиоднороднуюсхарактеристиками,вычисляемыми в рамках модели эффективной среды. Во втором случае(пористый фосфид галлия), когда длина световой волны сравнима с размераминеоднородностей среды, возникает сильное рассеяние и возможны эффектылокализации света в результате интерференции рассеянных волн.В работе были поставлены следующие задачи:1.Сформировать методом электрохимического травления пористые среды сзаданными оптическими свойствами.2.Для слоев ОПК, ПОА и ПФГ установить связь между структурнымисвойствами данных пористых сред, а именно морфологией пор инаночастиц, их размерами и расположением в нанокомпозите, и такимиоптическими параметрами как величины показателей преломления идвулучепреломления,атакжевременемжизнифотонавнаноструктурированном материале.3.Исследовать влияние эффектов локального поля на эффективностьпроцессов генерации оптических гармоник в прозрачных нанокомпозитах.4.Экспериментально показать возможность увеличения эффективностигенерации оптических гармоник в пористых средах при использованииследующих подходов: 1) фазового согласования в пористых слоях санизотропией формы 2) заполнения пор веществами с высокиминелинейными восприимчивостями 3) использования эффектов локализациисвета.Методы исследования.

Для решения поставленных задач был примененкомплекс различных методов исследования, включающих измерение спектровпропускания и отражения тонких пленок, генерацию оптических гармоник,4нелинейную спектроскопию, оптическое гетеродинирование, инфракраснуюФурьеспектроскопию,атомно-силовуюисканирующуюэлектроннуюобеспеченадетальныммикроскопию, рентгеновскую дифракцию.Достоверностьполученныхрезультатоврассмотрением физических явлений и процессов, определяющих линейные инелинейныеоптическиесвойствананокомпозитныхсред.Вомногомдостоверность полученных результатов обеспечивается хорошим согласиеммежду результатами расчетов и многочисленными экспериментами.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:- экспериментально исследовано явление оптической анизотропии формы вслоях окисленного пористого кремния, пористого оксида алюминия ипористого фосфида галлия;- изучены различные возможности использования эффектов локального полядля увеличения эффективности нелинейно-оптических взаимодействий;- экспериментально показана возможность фазового согласования для процессагенерации третьей гармоники в слоях окисленного пористого кремния-продемонстрированохорошеесогласиетеоретическихрасчетоввприближении модели эффективной среды для процесса генерации третьейгармоникивслояхокисленногопористогокремниясрезультатамиэксперимента.

Полученные результаты позволяют говорить о возможностимодификации точечной группы симметрии однородного материала в результатеего наноструктурирования;- экспериментально обнаружено значительное усиление генерации второйгармоники в слоях пористого GaP различной пористости, которое, какпоказано, тесно связано с эффектами локализации света.5Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту:1. Новые данные о двулучепреломлении формы, обусловленного эффектамилокального поля, в слоях окисленного пористого кремния, пористогооксида алюминия и пористого фосфида галлия и анализ этого явления врамках приближения эффективной среды.2. Вывод о возможности использования прозрачных слоев пористого оксидаалюминияиокисленногонаночастицамиCdS,дляпористогоувеличениякремния,сосажденнымиэффективностигенерацииоптических гармоник.3.

Вывод о значительной величине двулучепреломления формы в слояхокисленного пористого кремния, достаточного для синхронной генерациитретьей оптической гармоники.4. Вывод о влиянии эффектов локального поля на модификацию тензоракубической восприимчивости окисленного пористого кремния.5. Вывод о роли эффектов локализации света в микроструктурированномGaPнаэффективностьгенерацииоптическихгармоникикомбинационное рассеяние света.Практическая ценность исследования. Практическая ценность работысостоит в разработке принципов формирования новых сред для фотоники инелинейной оптики и исследовании их оптических свойств.

Например, пленкиокисленного пористого кремния обладают достаточной величиной двойноголучепреломления для использования в качестве компактных фазовых пластин.Искусственная анизотропия в изученных средах позволяет уменьшить фазовуюрасстройку в процессах генерации гармоник, что может быть использовано длясоздания высокоэффективных преобразователей частоты.Личныйвклад.исследованийВлинейныхдиссертационнойинелинейныхработеобобщеныоптическихсвойстврезультатыпористыхполупроводников и диэлектриков, выполненных диссертантом самостоятельнои в соавторстве. Личный вклад автора заключается в реализации цели и задач6работы,проведенииэкспериментальныхработ,анализеиобобщенииполученных результатов.Апробация результатов работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию,опубликованы в работах [1-19], три из которых опубликованы в ведущихнаучных российских журналах, и докладывались на следующих конференциях:Nanomeeting 2003, Минск, Беларусь (2003); Ломоносов-2003, Москва, Россия(2003); Laser Physics 2003, Гамбург, Германия (2003); 4-th InternationalConference Porous Semiconductors – science and technology, Валенсия, Испания(2004); ALT 04, Рим, Италия (2004); 10th conference on complex media andmetamaterials Bianisotropics 2004, Гент, Бельгия (2004); 2nd internationalconference on materials science and condensed matter physics, Кишинев, Молдова(2004); Нанофотоника, Нижний Новгород, Россия (2004); XX российскаяконференция по электронной микроскопии ЭМ’2004, Черноголовка, Россия(2004); X International Conference “Physics of Dielectrics”, Санкт-Петербург,Россия (2004); Laser Physics 2004, Триест, Италия (2004).Структура и объем работы.